簡述在工業(yè)控制中以太網(wǎng)的應(yīng)用

　　由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術(shù)投入。并且，在信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，保證了以太網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

　?。?）通信速率高

　　目前以太網(wǎng)的通信速率為10M或100M、1000M、10G的快速以太網(wǎng)也開始應(yīng)用，以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，其速率比目前的現(xiàn)場總線快得多，以太網(wǎng)可以滿足對帶寬的更高要求。

　　3、以太網(wǎng)應(yīng)用于控制時存在的問題

　　但是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是一種商用網(wǎng)絡(luò)，要應(yīng)用到工業(yè)控制中還存在一些問題，主要有以下幾個方面。

　　（1）存在實(shí)時性差，不確定性的問題

　　傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用了CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制機(jī)制，各個節(jié)點(diǎn)采用BEB（Binary Exponential Back-off）算法處理沖突，具有排隊(duì)延遲不確定的缺陷，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要通過競爭來取得信息包的發(fā)送權(quán)。通信時節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道，只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時，才能發(fā)送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發(fā)送后，還需要檢查是否發(fā)生碰撞，信息如發(fā)生碰撞，需退出重發(fā)，因此無法保證確定的排隊(duì)延遲和通信響應(yīng)確定性，不能滿足工業(yè)過程控制在實(shí)時性上的要求，甚至在通信繁忙時，還存在信息丟失的危險，從而限制了它在工業(yè)控制中的應(yīng)用。

　?。?）工業(yè)可靠性問題

　　以太網(wǎng)是以辦公自動化為目標(biāo)設(shè)計的，并沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性需要，如超高或超低的工作溫度，大電機(jī)或其他大功率設(shè)備產(chǎn)生的影響信道傳輸特性的強(qiáng)電磁噪聲等。以太網(wǎng)如在車間底層應(yīng)用，必須要解決可靠性的問題。

　?。?）以太網(wǎng)不提供電源，必須有額外的供電電纜

　　工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息，而且要能夠?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備傳輸工作供給電源。這主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低布線成本。

　?。?）以太網(wǎng)不是本質(zhì)安全系統(tǒng)

　?。?）安全性問題

　　以太網(wǎng)由于使用了TCP/IP協(xié)議，因此可能會受到包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。沒有授權(quán)的用戶可能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的控制層或管理層，造成安全漏洞。對此，一般可采用用戶密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理，但針對工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)安全問題的解決方案還需要認(rèn)真研究。

　?。?）現(xiàn)存的控制網(wǎng)絡(luò)與新建以太控制網(wǎng)絡(luò)的集成問題

　　上述這些問題中，實(shí)時性、確定性及可靠性問題是長期阻礙以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的主要障礙。為了解決這一問題，人們提出了工業(yè)以太網(wǎng)的解決辦法。5、工業(yè)以太網(wǎng)

　　4、需求

　　一般來講，工業(yè)以太網(wǎng)是專門為工業(yè)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，工業(yè)以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的異同可以比之與工業(yè)控制計算機(jī)和商用計算機(jī)的異同。以太網(wǎng)要滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，需達(dá)到以下幾個方面的要求。

　?。?）適應(yīng)性

　　包括機(jī)械特性（耐振動、耐沖擊）、環(huán)境特性（工作溫度要求為-40~+85℃，并耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC應(yīng)符合EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)。

　　（2）可靠性

　　由于工業(yè)控制現(xiàn)場環(huán)境惡劣，對工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的可靠性也提出了更高的要求。

　?。?）本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)

　　對應(yīng)用于存在易燃、易爆與有毒等氣體的工業(yè)現(xiàn)場的智能裝備以及通信設(shè)備，都必須采取一定的防爆措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。現(xiàn)場設(shè)備的防爆技術(shù)包括隔爆型（如增安、氣密、澆封等）和本質(zhì)安全型兩類。與隔爆型技術(shù)相比，本質(zhì)安全技術(shù)采取抑制點(diǎn)火源能量作為防爆手段，可以帶來以下技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、造價低;可在帶電情況下進(jìn)行維護(hù)和更換;安全可靠性高;適用范圍廣。實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的關(guān)鍵技術(shù)為低功耗技術(shù)和本安防爆技術(shù)。由于目前以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大，一般都在六七十mA（5V工作電源），因此低功耗的現(xiàn)場設(shè)備（如工業(yè)現(xiàn)場以太網(wǎng)交換機(jī)、傳輸媒體以及基于以太網(wǎng)的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）設(shè)計難以實(shí)現(xiàn)。因此，在目前的技術(shù)條件下，對以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施比較可行。另一方面，對于沒有嚴(yán)格的本安要求的非危險場合，則可以不考慮復(fù)雜的防爆措施。

　?。?）安裝方便，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的安裝要求，如采用DIN導(dǎo)軌安裝。

　　5、提高以太網(wǎng)實(shí)用性的方法

　　隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)的發(fā)展也取得了本質(zhì)的飛躍，再借助于相關(guān)技術(shù)，可以從總體上提高以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制中的實(shí)用性。

　　5.1采用交換技術(shù)

　　傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用共享式集線器，其結(jié)構(gòu)和功能僅僅是一種多端口物理層中繼器，連接到共享式集線器上的所有站點(diǎn)共享一個帶寬，遵循CSMA/CD協(xié)議進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。而交換式集線器可以認(rèn)為是一個受控的多端口開關(guān)矩陣，各個端口之間的信息流是隔離的，在源端和交換設(shè)備的目標(biāo)端之間提供了一個直接快速的點(diǎn)到點(diǎn)連接。不同端口可以形成多個數(shù)據(jù)通道，端口之間的數(shù)據(jù)輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束。隨著現(xiàn)代交換機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交換機(jī)端口內(nèi)部之間的傳輸速率比整個設(shè)備層以太網(wǎng)端口間的傳輸速率之和還要大，因而減少以太網(wǎng)的沖突率，并為沖突數(shù)據(jù)提供緩存。當(dāng)然交換機(jī)的工作方式必須是存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，這樣在系統(tǒng)中只有點(diǎn)對點(diǎn)的連接，不會出現(xiàn)碰撞。多個交換把整個以太網(wǎng)分解成許多獨(dú)立的區(qū)域，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)沖突只在各自的沖突域里存在，不同域之間沒有沖突，可以大大提高網(wǎng)絡(luò)上每個站點(diǎn)的帶寬，從而提高了交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能和確定性。

　　交換式以太網(wǎng)沒有更改原有的以太網(wǎng)協(xié)議，可直接使用普通的以太網(wǎng)卡，大大降低了組網(wǎng)的成本，并從根本上解決了以太網(wǎng)通信傳輸延遲存在不確定性的問題。研究表明，通信負(fù)荷在10%以下時，以太網(wǎng)因碰撞而引起的傳輸延遲幾乎可以忽略不計。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，傳輸?shù)男畔⒍酁橹芷谛詼y量和控制數(shù)據(jù)，報文小，信息量少，傳輸?shù)男畔㈤L度較小。這些信息包括生產(chǎn)裝置運(yùn)行參數(shù)的測量值、控制量、開關(guān)與閥門的工作位置、報警狀態(tài)、設(shè)備的資源與維護(hù)信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點(diǎn)與量程調(diào)校信息等。其長度一般都比較小，通常僅為幾位到幾十個字節(jié)，對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓摺Ｑ芯勘砻?，在擁?000個I/O的典型工業(yè)控制系統(tǒng)中，通信負(fù)荷為10M以太網(wǎng)的5%左右，即使有操作員信息傳輸（如設(shè)定值的改變，用戶應(yīng)用程序的下載等），10M以太網(wǎng)的負(fù)荷也完全可以保持在10%以下。

　　5.2采用高速以太網(wǎng)

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，先后產(chǎn)生了高速以太網(wǎng)（100M）和千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品和國際標(biāo)準(zhǔn)，10G以太網(wǎng)產(chǎn)品也已經(jīng)面世。通過提高通信速度，結(jié)合交換技術(shù)，可以大大提高通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

　　5.3采用全雙工通信模式

　　交換式以太網(wǎng)中一個端口是一個沖突域，在半雙工情況下仍不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如果采用全雙工模式，同一條數(shù)據(jù)鏈路中兩個站點(diǎn)可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時接收數(shù)據(jù)，解決了這種情況下半雙工存在的需要等待的問題，理論上可以使傳輸速率提高一倍。全雙工通信技術(shù)可以使設(shè)備端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上同時接收和發(fā)送報文幀，從而也不再受到CSMA/CD的約束，這樣，任一節(jié)點(diǎn)發(fā)送報文幀時不會再發(fā)生碰撞，沖突域也就不復(fù)存在。對于緊急事務(wù)信息，則可以根據(jù)IEEE802.3p

　　5.4采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

　　虛擬局域網(wǎng)（VLAN）的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的許多固有觀念，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更靈活、方便。實(shí)際上，VLAN就是一個廣播域，不受地理位置的限制，可以根據(jù)部門職能、對象組和應(yīng)用等因素將不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)用戶劃分為一個邏輯網(wǎng)段。局域網(wǎng)交換機(jī)的每一個端口只能標(biāo)記一個VLAN，同一個VLAN中的所有站點(diǎn)擁有一個廣播域，不同VLAN之間廣播信息是相互隔離的，這樣就避免了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。工業(yè)過程控制中控制層單元在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性和安全性方面都要與普通單元區(qū)分開來，使用虛擬局域網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)的開放平臺上做邏輯分割，將不同的功能層、不同的部門區(qū)分開，從而達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)的整體安全性和簡化網(wǎng)絡(luò)管理的目的。通常虛擬局域網(wǎng)的劃分方式有靜態(tài)端口分配、動態(tài)虛擬網(wǎng)和多虛擬網(wǎng)端口配置三種。靜態(tài)端口分配指的是網(wǎng)絡(luò)管理人員利用網(wǎng)管軟件或設(shè)備交換機(jī)的端口，使其直接從屬某個虛擬網(wǎng)，這些端口將保持這樣的從屬性，除非網(wǎng)管人員重新設(shè)置;動態(tài)虛擬網(wǎng)指的是支持動態(tài)虛擬網(wǎng)的端口可以借助智能管理軟件自動確定它們的從屬;多虛擬網(wǎng)端口配置支持一個用戶或一個端口同時訪問多個虛擬網(wǎng)，這樣可以將一臺控制層計算機(jī)配置成多個部門可以同時訪問，也可以同時訪問多個虛擬網(wǎng)的資源。

　　5.5引入質(zhì)量服務(wù)（QoS）

　　IP QoS是指IP的服務(wù)質(zhì)量（quality of service），亦即IP數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)時的性能，它的目的是向用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。QoS有一套度量指標(biāo)，包括業(yè)務(wù)可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等。QoS網(wǎng)絡(luò)可以區(qū)分實(shí)時-非實(shí)時數(shù)據(jù)，在工業(yè)以太網(wǎng)中采用QoS技術(shù)，可以識別來自控制層的擁有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，并對它們優(yōu)先處理，在響應(yīng)延遲、傳輸延遲、吞吐量、可靠性、傳輸失敗率、優(yōu)先級等方面，使工業(yè)以太網(wǎng)滿足工業(yè)自動化實(shí)時控制要求。另外，QoS網(wǎng)絡(luò)還可以制止對網(wǎng)絡(luò)的非法使用，譬如非法訪問控制層現(xiàn)場控制單元和監(jiān)控單元的終端等。

　　此外，還出現(xiàn)了受大公司支持的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)協(xié)議的改進(jìn)。將工業(yè)以太網(wǎng)引入底層網(wǎng)絡(luò)，不僅使現(xiàn)場層、控制層和管理層在垂直層面上方便集成，更能降低不同廠家設(shè)備在水平層面上的集成成本，以太網(wǎng)向底層網(wǎng)絡(luò)的延伸是必然的，因此著名廠商紛紛支持工業(yè)以太網(wǎng)并制訂了不同的工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。如Rockwell、OMRON等公司支持Ethernet/IP，IP是指工業(yè)協(xié)議，它提供Producer/Consumer模型，將ControlNet和Devicenet的控制和信息協(xié)議的應(yīng)用層移植到TCP.FF制定的高速以太網(wǎng)協(xié)議HSE提供了發(fā)布方/定購方、對象等模型，主要用于工程控制領(lǐng)域，受到了Foxboro、Honeywell等一些大公司的支持。由Schneider公司發(fā)布的Modbus/TCP協(xié)議將Modbus協(xié)議捆綁在TCP協(xié)議上，易于實(shí)施，能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)。

　　為了提高實(shí)時性，以太網(wǎng)協(xié)議也作了一些改進(jìn)。一種完全基于軟件的協(xié)議RETHER（Real Time Ethernet）可以在不改變以太網(wǎng)現(xiàn)有硬件的情況下確保實(shí)時性，它采用一種混合操作模式，能減少對網(wǎng)絡(luò)中非實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸性能的影響;非競爭的容許控制機(jī)制和有效的令牌傳遞方案能防止由于節(jié)點(diǎn)故障而引起的令牌丟失。遵守RETHER協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)以CSMA和RETHER兩種模式運(yùn)行。在實(shí)時對話期間，網(wǎng)絡(luò)將透明地轉(zhuǎn)換到RETHER模式，實(shí)時對話結(jié)束后又重新回到CSMA模式。還有一種以太網(wǎng)協(xié)議叫RTCC（Real Time Communication Control），為分布式實(shí)時應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。RTCC是加在Ethernet之上的一層協(xié)議，能提供高速、可靠、實(shí)時的通信。它不需要改變現(xiàn)有的硬件設(shè)備，采用命令/響應(yīng)多路傳輸和總線表兩種新穎的機(jī)制來分配信道。所有節(jié)點(diǎn)在RTCC協(xié)議中被分為總線控制器（BC）和遠(yuǎn)程終端（RT）兩類，BC只有一個，其余都是RT.信息發(fā)送的發(fā)起和管理都由BC承擔(dān)，訪問仲裁過程和傳輸控制過程都是由BC來實(shí)現(xiàn)的，通過兩個過程的集成與同步，不僅節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時間是確定的，而且節(jié)點(diǎn)使用總線的時間也可控。在10Mbps以太網(wǎng)上的實(shí)驗(yàn)表明，RTCC有令人滿意的確定性。第三種改進(jìn)實(shí)時性的方法是流量平衡，即在UDP或TCP/IP與Ethernet MAC之間加一個流量平衡器。作為它們之間的接口，它被安裝在每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上。在本地節(jié)點(diǎn)，它給予實(shí)時數(shù)據(jù)包以優(yōu)先權(quán)來消除實(shí)時信息與非實(shí)時信息的競爭，同時平衡非實(shí)時信息，以減少與其他節(jié)點(diǎn)實(shí)時信息之間的沖突。為了保證非實(shí)時信息的吞吐量，流量平衡器還能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況調(diào)整數(shù)據(jù)流產(chǎn)生率。這種方法不需要對現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)Ethernet MAC協(xié)議和TCP或UDP/IP作任何改動。

　　因此，針對以太網(wǎng)排隊(duì)延遲的不確定性，通過采用適當(dāng)?shù)牧髁靠刂?、交換技術(shù)、全雙工通信技術(shù)、信息優(yōu)先級等來提高實(shí)時性，并改進(jìn)了容錯技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)以及冗余結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)完全能用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)上，20世紀(jì)90年代中后期，國內(nèi)外各大工控公司紛紛在其控制系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)，推出了基于以太網(wǎng)的DCS、PLC、數(shù)據(jù)采集器，以及基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場儀表、顯示儀表等產(chǎn)品。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的日趨成熟，在工業(yè)通信和自動化系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議作為最主要的通信接口和手段，向網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、開放性方向發(fā)展將是各種控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最廣泛、成長最快的局域網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)自動化和過程控制領(lǐng)域得到了超乎尋常的發(fā)展。同時，基于IP的全程一體化尋址，為工業(yè)生產(chǎn)提供的標(biāo)準(zhǔn)、共享、高速的信息化通道解決方案，也必將對控制系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。